鄒坤 金東發(fā)

（無錫化工裝備股份有限公司 焊接實(shí)驗(yàn)室 無錫 214131）

引言

降膜蒸發(fā)器是一種高效的蒸發(fā)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工、輕工、污水處理等行業(yè)[1-3]。在降膜蒸發(fā)器的操作過程中，為了滿足物料在重力作用下沿管壁成膜狀持續(xù)、穩(wěn)定的下降，首先需考慮換熱管與管板接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)避免積液，防止物料在上管板與換熱管焊縫處停留時(shí)間過長，進(jìn)而降低蒸發(fā)效率、使得物料變質(zhì)及對(duì)管頭焊縫造成腐蝕等情況的發(fā)生；其次，由于換熱管與管板的焊縫由于長期處于受壓、腐蝕性介質(zhì)、流體磨蝕及溫差應(yīng)力等工況下運(yùn)行，極易發(fā)生泄漏而導(dǎo)致?lián)Q熱器失效[4-7]，所以對(duì)于高度危害工況下厚壁換熱管的降膜蒸發(fā)器，如何在較深的焊接坡口下，保證避免積液的換熱管與管板接頭的焊縫質(zhì)量尤為關(guān)鍵。為此，本文基于實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，掌握了厚壁換熱管深坡口降膜蒸發(fā)器的換熱管與管板接頭的焊接工藝，為該類設(shè)備的焊接進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。

1 工程引例

本公司承制某降膜蒸發(fā)器產(chǎn)品，該批設(shè)備需按EN 13445標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目技術(shù)要求進(jìn)行制造。管程的工作介質(zhì)為中度危害的二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)；設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力：殼程5Mpa，管程4MPa；管板材料為SA-516 Gr70+SA-240 304L復(fù)合板，換熱管材料為SA-213 TP304L，換熱管規(guī)格為φ88.9×7.5mm。

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)范，產(chǎn)品的換熱管與管板接頭焊接前需按照ISO 15614-8標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目規(guī)范對(duì)換熱管與管板焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定及項(xiàng)目模擬試驗(yàn)。本試驗(yàn)的難點(diǎn)在于：（1）在最佳坡口設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需保證焊縫余高不得高于管板面0.5mm，且焊縫圓滑過渡；（2）常規(guī)的換熱器管頭焊縫的坡口深度通常為2～3mm，基于本設(shè)備用換熱管壁厚及設(shè)計(jì)條件，務(wù)必會(huì)導(dǎo)致該換熱管與管板的坡口深度會(huì)很大，而隨著坡口深度的增加，根部焊接操作視野變小，保證根部焊透、良好熔合的難度會(huì)極度提高。

2 換熱管與管板焊接接頭形式的設(shè)計(jì)

常規(guī)的換熱管伸出管板面的角焊縫形式顯然無法解決降膜蒸發(fā)器的換熱管與上管板接頭的積液問題，所以參考某項(xiàng)目規(guī)范，設(shè)計(jì)人員可以參考下表1選擇的該項(xiàng)目的換熱管與管板接頭形式。即換熱管管端比管板面低的（換熱管內(nèi)縮式）焊縫連接結(jié)構(gòu)。這種焊縫連接結(jié)構(gòu)跟換熱管與管板齊平結(jié)構(gòu)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1) 適當(dāng)?shù)南鲁劣欣谠黾痈亢附硬僮饕曇埃岣吒亢附淤|(zhì)量，尤其是厚壁坡口深度大的換熱管與管板接頭形式；(2) 在不允許打磨去除焊縫余高的情況下，更方便控制換熱管與管板接頭的焊縫余高要求，減少降膜蒸發(fā)器的換熱管與上管板焊接接頭的積液風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文從下表1所示的兩種結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行了試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定最佳的換熱管與管板結(jié)構(gòu)形式。

表1 換熱管與管板接頭結(jié)構(gòu)形式要求

3 換熱管與管板接頭的焊接試驗(yàn)

為了提高試驗(yàn)速度，兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)比試驗(yàn)的管板材料均采用SA-240 304L板材，板厚為45mm；換熱管均采用設(shè)備同批號(hào)同規(guī)格的換熱管。并分別采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)在水平固定位置進(jìn)行焊接，保護(hù)氣均為純度≥99.99%氬氣。

3.1 換熱管與管板接頭結(jié)構(gòu)形式(A)的焊接試驗(yàn)及分析

先對(duì)上表換熱管與管板接頭結(jié)構(gòu)形式中的(A)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，換熱管為三角形排列，試驗(yàn)用換熱管與管板詳細(xì)的尺寸及排列見圖1，焊接參數(shù)見下表2：

圖1 換熱管與管板焊接接頭的尺寸及排列

表2 換熱管與管板接頭焊接參數(shù)

試樣焊接完畢后進(jìn)行表面液體滲透檢測、射線檢測及接頭橫截面的宏觀檢查，試驗(yàn)結(jié)果合格。如上圖1所示，該結(jié)構(gòu)由于換熱管內(nèi)縮6.5mm，蓋面焊道務(wù)必需包滿換熱管管端方可實(shí)現(xiàn)ISO 15614-8標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目規(guī)范所要求的焊吼尺寸≥0.9倍管壁厚的要求，使得蓋面焊道寬度過寬，只能壓道焊接方能實(shí)現(xiàn)焊道的蓋面焊接，導(dǎo)致焊縫外觀難看，焊道間多少會(huì)出現(xiàn)高低不平，使得上管板管頭焊縫出現(xiàn)局部微量積液的問題，從而影響降膜蒸發(fā)器的物料穩(wěn)定的流動(dòng)。該試驗(yàn)焊道外觀及橫截面的宏觀金相見下圖2。

圖2 接頭形式(A)的焊道外觀及橫截面的宏觀金相

3.2 優(yōu)化后的換熱管與管板接頭形式下的焊接試驗(yàn)及分析

為了避免上述表1的換熱管與管板接頭形式(A)焊接試驗(yàn)出現(xiàn)的問題，只能選擇上述表1的換熱管與管板接頭形式(B)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

通過調(diào)整換熱管的內(nèi)縮量，可以降低蓋面焊道的寬度，且隨著換熱管內(nèi)縮量的減少，蓋面焊道不必包滿換熱管管端即可實(shí)現(xiàn)ISO 15614-8標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目規(guī)范所要求的焊吼尺寸≥0.9倍管壁厚的要求，從而實(shí)現(xiàn)蓋面焊道的單道焊接；而且管板的坡口形式從V形優(yōu)化成J形，可以提高根部焊接電弧可達(dá)性[8-9]，可以改善換熱管隨著內(nèi)縮量減少，根部焊接操作視野變小，根部焊透及良好熔合的難度提高的問題；并通過對(duì)上管板的換熱管端進(jìn)行內(nèi)倒角的設(shè)計(jì)優(yōu)化（下管板換熱管端可以不需要內(nèi)倒角），可以進(jìn)一步保證降膜蒸發(fā)器的物料從上管板的換熱管孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)順暢流動(dòng)。故如下圖3所示，換熱管與管板的坡口形式設(shè)計(jì)成換熱管內(nèi)縮1mm，并將換熱管端內(nèi)倒角3.5mm×15°的上述表1中J形接頭形式。試驗(yàn)用換熱管與管板詳細(xì)的尺寸及排列見上圖3，焊接參數(shù)見下表3：

圖3 優(yōu)化后的換熱管與管板焊接接頭的尺寸及排列

表3 優(yōu)化后的換熱管與管板接頭焊接參數(shù)

為了保證根部良好熔合，經(jīng)過不斷嘗試，確定最佳的焊接操作區(qū)域?yàn)?～1點(diǎn)鐘區(qū)域。因此，每個(gè)接頭均只焊接該區(qū)域，該區(qū)域焊接完畢后，將試樣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，再次進(jìn)行5～1點(diǎn)鐘區(qū)域焊接直至完成首層焊道的焊接。后續(xù)焊層再次依此順序進(jìn)行焊接，直至完成所有焊接操作。通過該焊接順序，可以較好的控制蓋面焊道的平整度，不至于某些區(qū)域由于熔融金屬受重力作用出現(xiàn)熔滴下掛的風(fēng)險(xiǎn)，更好的適應(yīng)最終焊縫余高要求。

工藝評(píng)定試樣焊接完畢后進(jìn)行了表面液體滲透檢測、射線檢測及接頭橫截面的宏觀檢查，試驗(yàn)結(jié)果合格。其中，焊縫余高符合小于0.5mm的項(xiàng)目要求；焊吼尺寸滿足ISO 15614-8標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目規(guī)范所規(guī)定的≥0.9倍管壁厚的要求，具體焊吼尺寸見下表4；接頭根部完全焊透且熔合良好。而且蓋面焊道只需單道焊接即可完成，焊縫外觀成型美觀，可以滿足降膜蒸發(fā)器的物料穩(wěn)定、流暢的流動(dòng)的要求。該試驗(yàn)焊道的外觀及橫截面的宏觀金相見上圖4。

圖4 優(yōu)化后接頭形式的焊道外觀及橫截面的宏觀金相

表4 優(yōu)化后換熱管與管板接頭焊吼尺寸

根據(jù)該批設(shè)備管頭總數(shù)量，本公司安排了10名焊工在項(xiàng)目監(jiān)理見證下參與了該項(xiàng)目的模擬試驗(yàn)，其中1人因焊接速度控制不均勻，使得焊縫成型不美觀，導(dǎo)致外觀不合格，其余9人均通過了外觀檢查、表面液體滲透檢測、射線檢測及接頭橫截面的宏觀檢查的各項(xiàng)檢查，合格率可達(dá)90%，確定該接頭形式可以用于實(shí)際產(chǎn)品的焊接。

4 應(yīng)用

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，通過將換熱管與管板的坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)成R7.5mm的J型坡口、換熱管內(nèi)縮1mm且上管板的換熱管端進(jìn)行3.5×15°內(nèi)倒角的接頭形式，并采用固定區(qū)域焊接及對(duì)焊接順序的控制，可以獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求的焊接接頭。實(shí)驗(yàn)合格后，確定了該管頭焊縫設(shè)計(jì)方案，取消了設(shè)計(jì)圖紙中換熱管與管頭接頭形式的待定狀態(tài)，并安排模擬試驗(yàn)合格的焊工進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品焊接，產(chǎn)品換熱管與管板接頭焊縫一次性通過了外觀檢查、液體滲透檢測、射線檢測、氦檢漏試驗(yàn)及水壓試驗(yàn)的設(shè)計(jì)圖樣要求的各項(xiàng)檢測。

5 結(jié)論

（1）降膜蒸發(fā)器的換熱管與管板接頭形式需優(yōu)化設(shè)計(jì)，需考慮焊縫形貌及余高不影響物料穩(wěn)定、流暢的流動(dòng)。

（2）通過將換熱管與管板的坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)成R7.5mm的J型坡口、換熱管內(nèi)縮1mm及上管板的換熱管端進(jìn)行3.5mm×15°內(nèi)倒角的接頭形式，并采用固定區(qū)域焊接及對(duì)焊接順序的控制，試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求的焊接接頭。

（3）結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)厚壁換熱管與管板接頭深坡口形式的焊接試驗(yàn)，不斷分析優(yōu)化其坡口結(jié)構(gòu)形式，獲得了質(zhì)量穩(wěn)定的焊接成果，成功用于降膜蒸發(fā)器的厚壁換熱管與管板在深焊接坡口下的產(chǎn)品接頭焊接。